侯玉婷 李令軍 姜 磊 武鳳霞

(1.十堰市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 十堰 442000；2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048)

當(dāng)前，灰霾污染已成為公眾關(guān)注的主要環(huán)境問題之一。冬小麥?zhǔn)斋@季節(jié)的秸稈焚燒是導(dǎo)致每年6月前后主產(chǎn)區(qū)嚴(yán)重灰霾污染事件的重要原因[1-2]。秸稈焚燒排放大量的污染物，主要包括PM2.5、NOX、NH3、CH4、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)、CO、SO2，嚴(yán)重影響區(qū)域空氣質(zhì)量。獲取冬小麥秸稈焚燒污染物的排放量及空間分布，有助于客觀了解冬小麥秸稈焚燒空氣污染現(xiàn)象。

目前，計(jì)算區(qū)域尺度秸稈焚燒大氣污染物排放量的方法主要有兩種：一是依靠秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的過火面積進(jìn)行測(cè)算[3]1591，[4]，獲取過火面積、單位面積作物產(chǎn)量、谷草比、秸稈污染物排放因子等參數(shù)，得到最終的秸稈焚燒污染物排放量；二是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算[5]1826-1827，[6]3046-3048，獲取年鑒作物種植面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、單位面積作物產(chǎn)量、谷草比、秸稈焚燒比例、秸稈污染物排放因子等參數(shù)。然而，火點(diǎn)監(jiān)測(cè)受云遮蓋及衛(wèi)星回訪周期影響，僅能反映部分時(shí)段、部分區(qū)域的秸稈焚燒事件[3]1592-1593，得到的污染物排放量不完整；利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算的秸稈焚燒污染物排放量，僅能從宏觀上了解秸稈焚燒污染排放總體情況，不能提供更精細(xì)化的網(wǎng)格污染物排放分布信息。

本研究基于MODIS衛(wèi)星250 m分辨率的16 d合成歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，提出了一種冬小麥種植區(qū)遙感快速提取方法，并建立了基于解譯的冬小麥種植區(qū)秸稈焚燒大氣污染排放的測(cè)算方案。以冬小麥種植第一大省河南省為例，遙感提取了2010年全省冬小麥的種植面積和空間分布，對(duì)比統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)，對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證、分析；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)研獲取的大氣污染物排放因子等參數(shù)，估算了冬小麥秸稈焚燒的污染排放情況，進(jìn)一步得到了秸稈焚燒污染物排放量及其空間分布。本研究設(shè)計(jì)的方法具有數(shù)據(jù)易獲取、過程簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，結(jié)果客觀、可靠，能為秸稈焚燒監(jiān)管工作以及其他區(qū)域的相關(guān)研究提供參考應(yīng)用和技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

總體技術(shù)流程分為兩個(gè)部分(見圖1)：一是提取冬小麥種植范圍，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便、高效的提取方法，過程采用物候規(guī)則、非監(jiān)督分類和人工識(shí)別結(jié)合的方式，選用250 m分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，并參考統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析；二是估算冬小麥種植區(qū)秸稈焚燒大氣污染物排放量，在冬小麥種植區(qū)遙感提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)研獲取的秸稈產(chǎn)量、秸稈焚燒大氣污染物排放量等參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到冬小麥種植區(qū)秸稈焚燒大氣污染物排放量及其空間分布。

圖1 總體技術(shù)流程

1.1 數(shù)據(jù)資料

主要采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，其他資料還包括高分衛(wèi)星影像、統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)。MODIS NDVI數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)MODIS數(shù)據(jù)分發(fā)中心，空間分辨率為250 m，本研究采用16 d合成NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用降低云覆蓋影響的合成方法。本研究共獲取2010年覆蓋河南全境的23期16 d合成NDVI數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要取自《河南省2011年統(tǒng)計(jì)年鑒》，用于冬小麥種植區(qū)遙感提取面積驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分省、市(18個(gè))、縣(108個(gè))3個(gè)尺度。其中，省、市和10個(gè)縣的冬小麥種植區(qū)面積為統(tǒng)計(jì)年鑒結(jié)果；由于年鑒中未提供其他98個(gè)縣的冬小麥種植區(qū)面積，故采用年鑒中提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行折算。

1.2 冬小麥種植范圍的提取

1.2.1 基于物候規(guī)則提取冬小麥種植區(qū)

冬小麥種植面積的估算是遙感和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題[6]3046，[7]。主流方法之一即是以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分類提取。與面向?qū)ο蠓诸?、混合像元分解[8]等方法相比，基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)的方法雖然在分辨率和精度上有所不足，但具有簡(jiǎn)便易行、數(shù)據(jù)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛采用。具體方法有：采用冬小麥關(guān)鍵生長(zhǎng)期的幾期NDVI圖像做簡(jiǎn)單運(yùn)算，或設(shè)定適當(dāng)閾值的提取方法[9-12]；建立物候規(guī)則模型計(jì)算的方法[13-14]；NDVI閾值和物候規(guī)則模型兩者相結(jié)合的方法[15-20]；引入其他來源的土地利用分類結(jié)果，劃定農(nóng)業(yè)種植區(qū)范圍，再在范圍內(nèi)利用NDVI閾值或物候規(guī)則提取冬小麥種植面積分布信息[21-22]的方法。

但現(xiàn)有方法存在以下問題：(1)選用的MODIS NDVI數(shù)據(jù)時(shí)相少，信息量不豐富；(2)設(shè)置NDVI閾值需要豐富的野外調(diào)查工作經(jīng)驗(yàn)，而且受時(shí)間差異性和地域局限性影響，不能推廣應(yīng)用[23]；(3)現(xiàn)有土地利用分類結(jié)果內(nèi)再分類的方法實(shí)用性差，因?yàn)楦哔|(zhì)量的土地利用分類結(jié)果不易獲取，而且冬小麥種植區(qū)的提取結(jié)果精度和時(shí)效性也直接依賴外源土地利用分類數(shù)據(jù)。

本研究設(shè)計(jì)提出的冬小麥種植區(qū)面積提取方法，保留了數(shù)據(jù)易獲取、方法簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，且提高了分類準(zhǔn)確性，降低了人工經(jīng)驗(yàn)差別對(duì)分類結(jié)果的影響，具體步驟為：

(1) 根據(jù)冬小麥生長(zhǎng)典型物候特征，結(jié)合全年MODIS NDVI的數(shù)據(jù)情況，制定物候規(guī)則，據(jù)此提取冬小麥種植區(qū)掩膜。

(2) 利用全年的MODIS NDVI數(shù)據(jù)做非監(jiān)督分類，參考高分衛(wèi)星影像，人工識(shí)別篩選出含有冬小麥種植區(qū)的有效類別。

(3) 疊加利用物候規(guī)則提取的冬小麥種植區(qū)掩膜及非監(jiān)督分類并人工識(shí)別得到的冬小麥種植區(qū)有效類別，最終確定冬小麥種植區(qū)范圍和面積。

1.2.2 非監(jiān)督分類提取冬小麥有效類別

基于2010年共23期的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件做非監(jiān)督分類，將所有柵格劃分為20類。將分類結(jié)果與河南省境內(nèi)2010年冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)的高分衛(wèi)星影像疊加，人工識(shí)別剔除完全不屬于冬小麥種植區(qū)的類別，保留其余屬于冬小麥種植區(qū)的類別或部分含有冬小麥種植區(qū)的混合類別。

1.2.3 冬小麥種植區(qū)范圍的確定

通過對(duì)比高分衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)，采用物候規(guī)則得到的冬小麥種植區(qū)掩膜(見圖2)將部分水體、水體周邊地塊、城市建筑用地、林地等誤判為冬小麥種植區(qū)，是由于這些地塊沒有明顯的NDVI物候變化特征，或是受到其他隨機(jī)因素、混合像元等的影響。同時(shí)，采用非監(jiān)督分類的方法可以有效剔除部分水體、林地和城市建筑用地，但因分類總數(shù)較少，且未加入先驗(yàn)樣本，部分冬小麥像元和其他植被覆蓋像元不能完全分開，而被判為同一個(gè)混合類別，因而非監(jiān)督分類得到的冬小麥種植區(qū)范圍偏大。

圖2 基于物候規(guī)則提取的冬小麥種植區(qū)掩膜

將基于物候規(guī)則提取的冬小麥種植區(qū)掩膜(見圖2)和非監(jiān)督分類提取的冬小麥種植區(qū)有效類別(見圖3)疊加，以取其交集的方式，可以同時(shí)剔除被物候規(guī)則誤判的屬于水體、林地、城市建筑用地的柵格，以及非監(jiān)督分類混合類別中非冬小麥種植區(qū)的柵格。

1.3 冬小麥秸稈焚燒大氣污染物排放估算

圖3 非監(jiān)督分類提取的冬小麥種植區(qū)有效類別

在提取冬小麥種植范圍的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套測(cè)算秸稈焚燒大氣污染物排放清單的模型。首先基于調(diào)研獲取的單位面積冬小麥產(chǎn)量、谷草比、秸稈焚燒比例和排放因子參數(shù)，測(cè)算單位面積冬小麥秸稈焚燒大氣污染物排放量，得到研究區(qū)域內(nèi)冬小麥秸稈焚燒大氣污染物排放量。計(jì)算方法見式(1)至(2)。

Pi=k×Gi×A

(1)

(2)

式中：Pi為冬小麥秸稈焚燒大氣污染物i排放量，g；k為面積校正系數(shù)；Gi為單位面積冬小麥秸稈焚燒大氣污染物i排放量，g/hm2；A為冬小麥種植面積，hm2；Y為單位面積冬小麥產(chǎn)量，kg/hm2；η為秸稈焚燒比例，%；Ri為污染物i排放因子，g/kg；Fgs為谷草比。

在250 m的中分辨率尺度上提取冬小麥種植區(qū)，因?yàn)樘镩g地壟、鄉(xiāng)村道路甚至袖珍村落無法徹底剔除以及混合像元的影響，使遙感結(jié)果仍會(huì)略大于實(shí)際的冬小麥種植面積。假設(shè)面積的高估程度在研究區(qū)內(nèi)相對(duì)均勻，則可根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)遙感提取結(jié)果進(jìn)行校正。根據(jù)遙感提取的冬小麥種植面積與統(tǒng)計(jì)年鑒中種植面積，計(jì)算高估的數(shù)量。相關(guān)計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：S0為統(tǒng)計(jì)年鑒中的冬小麥種植面積，hm2；A0為遙感提取得到的冬小麥種植面積，hm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 冬小麥種植區(qū)提取結(jié)果

根據(jù)上述方法，將基于物候規(guī)則提取的冬小麥種植區(qū)掩膜和非監(jiān)督分類得到的冬小麥種植區(qū)有效類別求交集，即可得到本研究冬小麥種植面積的最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖4為2010年河南省冬小麥種植區(qū)遙感最終結(jié)果。結(jié)果顯示，2010年河南省冬小麥種植區(qū)主要集中在豫東平原和南陽(yáng)盆地，在豫西山地、豫南山地以及鄭州等分布較少。此外，大范圍種植區(qū)內(nèi)散落著面積大小不等的城市及村落，形成冬小麥種植的空白區(qū)。

圖4 2010年河南省冬小麥種植區(qū)遙感最終結(jié)果

對(duì)比河南全省、各市、各縣的冬小麥種植面積統(tǒng)計(jì)年鑒結(jié)果(《河南省2011年統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示為52 879 km2)及本研究提取的冬小麥種植區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析冬小麥種植區(qū)提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，見表1，其中A1、A2、A3分別代表僅采用物候規(guī)則的提取結(jié)果、僅采用非監(jiān)督分類并篩選出有效類別的結(jié)果、A1與A2求交集得到的冬小麥種植區(qū)遙感最終結(jié)果；縣域尺度-1包含統(tǒng)計(jì)年鑒中直接提供冬小麥種植面積的10個(gè)縣，縣域尺度-2包含河南省全部108個(gè)縣。

表1 冬小麥種植區(qū)提取結(jié)果評(píng)價(jià)

結(jié)果顯示，在市、縣尺度上，A3與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上、平均偏差均在13%以內(nèi)，說明提取結(jié)果總體上精度較好。對(duì)比A3與A1、A2統(tǒng)計(jì)的偏差面積、相關(guān)系數(shù)，可見通過疊加物候規(guī)則和非監(jiān)督分類結(jié)果的方式，可以大幅減少面積偏差。

參考中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)中的河南地貌矢量數(shù)據(jù)，按面積最大法將河南省內(nèi)的108個(gè)縣分為4類：平原區(qū)、丘陵區(qū)、臺(tái)地區(qū)、山地區(qū)，具體劃分見圖5。統(tǒng)計(jì)了不同地貌類型上冬小麥種植區(qū)面積提取結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒值之間的關(guān)系，見表2。

圖5 河南省地貌分類

地貌類型項(xiàng)目A1A2A3平原區(qū)相關(guān)系數(shù)0．960．930．91平均偏差/%614732丘陵區(qū)相關(guān)系數(shù)0．930．950．94平均偏差/%524825臺(tái)地區(qū)相關(guān)系數(shù)0．900．940．93平均偏差/%52661山地區(qū)相關(guān)系數(shù)0．810．830．76平均偏差/%309741

結(jié)果表明，平原區(qū)A3提取結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91，丘陵區(qū)達(dá)到0.94，臺(tái)地區(qū)達(dá)到0.93，山地區(qū)較低，但也能達(dá)到0.76，證明本研究冬小麥種植區(qū)的遙感提取方法在不同地貌類型上都是有效的。對(duì)比A3與A1、A2統(tǒng)計(jì)的平均偏差、相關(guān)系數(shù)，說明在平原區(qū)、丘陵區(qū)、臺(tái)地區(qū)均可以通過疊加物候規(guī)則和非監(jiān)督分類結(jié)果的方式，達(dá)到在不影響相關(guān)性的情況下有效減少面積偏差的效果。在山地區(qū)，本研究方法對(duì)面積影響較大，致使面積偏小41%，原因是在MODIS 250 m的分辨率下，山地區(qū)坡耕地呈碎片狀分布，耕地信息受混合像元的影響過重而不能有效反演所致。因?yàn)槲覈?guó)冬小麥種植區(qū)主要分布在江、淮、海河流域的平原區(qū)，本研究方法在冬小麥的主產(chǎn)平原區(qū)提取結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91，表明該方法對(duì)于我國(guó)冬小麥整體種植面積的估計(jì)有非常好的借鑒意義。

表3 秸稈焚燒污染物排放因子

2.2 污染物排放估測(cè)結(jié)果

根據(jù)式(3)，統(tǒng)計(jì)年鑒中2010年冬小麥種植面積為52 879 km2，提取的冬小麥種植面積為66 759 km2，故面積校正系數(shù)取0.79。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，單位面積冬小麥產(chǎn)量取5 838 kg/hm2(來自河南省2010年的統(tǒng)計(jì)年鑒)；冬小麥谷草比取1.366[24]。秸稈焚燒比例取值參考農(nóng)業(yè)部科技教育司2010年發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告》，取18.72%[25]。秸稈污染物排放因子由文獻(xiàn)[26、27]調(diào)研獲得，選取國(guó)內(nèi)常用的取值，詳見表3。

根據(jù)上述參數(shù)，采用式(1)、式(2)計(jì)算得到250 m分辨率的2010年河南省冬小麥秸稈焚燒污染物排放量空間分布。結(jié)果表明，250 m分辨率下冬小麥種植區(qū)的秸稈焚燒單位柵格污染物年排放量：PM2.5為154.1 kg，NOX為9.9 kg，NH3為5.1 kg，CH4為10.7 kg，VOC為62.0 kg，CO為363.4 kg，SO2為1.6 kg。

基于2010年河南省秸稈焚燒污染物排放量空間分布結(jié)果，計(jì)算2010年河南省冬小麥秸稈焚燒排放總量，分別如下：PM2.5為16.482×104t，NOX為1.057×104t，NH3為0.549×104t，CH4為1.141×104t，VOC為6.635×104t，CO為38.880×104t，SO2為0.169×104t。

表4對(duì)比了鄭有飛等[3]1592計(jì)算的2007年夏季河南省秸稈焚燒大氣污染物排放量與本研究得到的河南省2010年秸稈焚燒大氣污染物排放量、曹國(guó)良等[5]1827-1829計(jì)算的2000年河南省秸稈焚燒大氣污染物排放量。結(jié)果顯示，在數(shù)量級(jí)上，本研究的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]的結(jié)果接近，但比之更小，因?yàn)楹笳呓Y(jié)果包含了冬小麥以外其他作物的秸稈焚燒大氣污染物排放。文獻(xiàn)[3]的結(jié)果與本研究結(jié)果存在數(shù)量級(jí)的差異，分析原因是火點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)手段僅能反映部分時(shí)段、部分區(qū)域的秸稈焚燒事件，導(dǎo)致估計(jì)的秸稈焚燒大氣污染物排放量測(cè)算嚴(yán)重偏小。

表4 河南省秸稈焚燒大氣污染物排放情況

2.3 討 論

本研究提出一種新的秸稈焚燒大氣污染物排放量的遙感測(cè)算方法，基于MODIS衛(wèi)星250 m分辨率的16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)，采用物候規(guī)則、非監(jiān)督分類和人工識(shí)別結(jié)合的方式，解譯提取冬小麥的種植面積與分布范圍。單純物候規(guī)則提取的冬小麥種植區(qū)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)值的相關(guān)性較好，但面積總量偏大；單純采用非監(jiān)督分類結(jié)合識(shí)別有效類別的方法，能區(qū)分冬小麥、其他地物類別以及混合像元，但結(jié)果受數(shù)據(jù)質(zhì)量、聚類中心的位置、聚類數(shù)目的影響很大，平均偏差很高，面積也有所高估。采用疊加兩者并取交集的方式，使最終結(jié)果的平均偏差為3組中最小，與統(tǒng)計(jì)結(jié)果較接近。

本研究在提取冬小麥種植區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)研獲取的秸稈焚燒污染物排放因子等參數(shù)，測(cè)算了網(wǎng)格化的冬小麥秸稈焚燒大氣污染物排放量及其空間分布，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果為250 m分辨率下空間分布特征。但結(jié)果受限于柵格間污染物排放量均勻的假設(shè)，不能體現(xiàn)污染物排放強(qiáng)度的空間差異性。未來可以通過計(jì)算單位柵格的冬小麥秸稈生物量等，細(xì)化秸稈焚燒參數(shù)的空間差異，從而進(jìn)一步提高秸稈焚燒大氣污染物排放量的測(cè)算精度。

3 結(jié) 論

(1) 本研究以MODIS衛(wèi)星250 m分辨率的16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種冬小麥種植區(qū)提取方法，并以河南為例進(jìn)行了全省域的2010年種植面積與分布范圍的遙感提取。結(jié)果表明，遙感提取的冬小麥面積分布與統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)都在0.9以上、平均偏差均在13%以內(nèi)，且在各種地貌類型上都有較好的效果。

(2) 250 m分辨率下2010年河南省冬小麥種植區(qū)的秸稈焚燒單位柵格污染物年排放量：PM2.5為154.1 kg，NOX為9.9 kg，NH3為5.1 kg，CH4為10.7 kg，VOC為62.0 kg，CO為363.4 kg，SO2為1.6 kg。

(3) 2010年河南省冬小麥秸稈焚燒排放的污染物總量：PM2.5為16.482×104t，NOX為1.057×104t，NH3為0.549×104t，CH4為1.141×104t，VOC為6.635×104t，CO為38.880×104t，SO2為0.169×104t。

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